猴爬巖水電站計算機監控系統的設計與應用

羅 皓，周永濱，李清華，熊佳駒，倪會云

（1.中國水利水電科學研究院中水科技公司，北京 100038;2.文山猴爬巖水電開發有限責任公司，云南 丘北 663208）

猴爬巖水電站計算機監控系統的設計與應用

羅 皓1，周永濱1，李清華1，熊佳駒1，倪會云2

（1.中國水利水電科學研究院中水科技公司，北京 100038;2.文山猴爬巖水電開發有限責任公司，云南 丘北 663208）

主要介紹了云南猴爬巖水電站H 9000計算機監控系統的設計原則，總體結構，系統功能的構成與應用。

水電站；計算機監控系統；設計；應用；LCU

丘北猴爬巖水電站位于丘北縣羊街鄉境內的清水江干流下游河段上，是清水江流域干流下游河段梯級規劃的第四個梯級電站，電站裝機容量40MW，年發電量16688萬kW·h。猴爬巖電站由首部樞紐、引水系統及地面廠房三部分組成。是一個以發電為主的水電工程。電站廠房裝機2×20MW，總裝機40MW，發電機為混流式機組。電站選用了北京中水科水電科技開發有限公司的H9000V4.0計算機監控系統，所有設備均應滿足“無人值班”（少人值守）的要求。工程于2009年10月全部完工，計算機監控系統與首臺機組同步投運。

1 系統選型

1.1 上位機操作系統

監控系統上位機系統采用開放系統結構和成熟、可靠、標準化的硬件、軟件和網絡結構，本系統上位機全部采用開放的漢化Windows系統，具有運行穩定、數據處理速度快、操作界面靈活等特點；支持應用軟件較多，性價比較高，技術更新快；計算機管理成本較低，支持多處理器和集群功能；還具備完善的應用功能及對外開放的接口功能。

1.2 工作站及服務器

由于監控系統系統數量較大，可靠性和實時性要求高，選擇運行可靠、速度高的電廠服務器和工作站。主要關鍵設備采用國際著名品牌，美國HP的服務器和工作站。

1.3 可編程邏輯控制器

本系統采用的GE公司系列PLC是一個包括控制器、I/O系統和特殊模塊的家族，它能滿足各種各樣工業解決方案的要求。該系列有單獨的整體控制構架和模塊設計，已有的記錄表明它在幾十萬項目中得到應用。它如此全能的一個原因是因為它有大量的離散量模塊和模擬量模塊，還有特殊模塊可以使用。此外，GE Fanuc提供大范圍的高級通信選項，從簡單串行連接到高速以太網接口以及許多總線模塊。此外相比同等其他公司的產品，它的性價比更高，非常好得滿足了本電廠監控系統的需要。

2 設計思路

猴爬巖水電站按“無人值班”（少人值守）的原則設計。采用全開放式分層分布控制系統，通過交換機和光纜將控制命令和實時數據分布到各個現地控制單元中。監控系統能對全廠主要機電設備進行控制，并對所有機電設備的運行情況進行全面的監視。各單元采用標準模件，既便于功能和硬件的更新和擴展，又能方便日常運行的維護。

實時性好，抗干擾能力強。軟件模塊化、結構化，使系統更能適應功能的增加和規模的擴充。人機界面采用中文、功能強、操作方便、簡潔、靈活，便于二次開發。

監控系統應高度可靠，與電廠安全運行密切相關的設備采用雙重化設置，監控系統本身的局部故障不應影響現場設備的正常運行。系統的各項性能指標均應滿足DL/T578-1995《水電廠計算機監控系統基本技術條件》及DL/T5065-1999《水力發電廠計算機監控系統設計技術規定》的要求,選擇較高的MTBF指標，從部件、單機和系統多層次保證高可靠性要求。

具有本電站和上級調度中心、梯級電站計算機系統、高頻開關電源（直流）系統、輔助系統和其它系統之間的通訊接口。滿足遙信、遙測、遙控、和遙調功能。應留有局域網接口，實現廠區局域網用戶數據共享。并保留INTERNET接口，以擴展遠程監視。還應具有遠程診斷的功能。

3 系統結構

為保證設計思路的實現，系統采用全分布式立體結構，即功能分布和分布式數據庫系統。整個系統分為廠站控制層和現地控制層兩部分。全廠數據庫和歷史數據庫分布在廠站計算機中，各個單元數據庫分布在各個LCU中，系統各功能分布在各個節點上，每個節點嚴格執行制定的任務并通過系統網絡與其他節點進行通訊。

監控系統局域網按IEEE802.3設計，同樣采用全開放的分布式星形結構，網絡介質采用光纖電纜，通信規約為TCP/IP，網絡傳輸速率不小于100Mb/s。廠站控制層與各個現地LCU都有獨立的工業以太網交換機。每個交換機都能滿足多個輸入輸出，適應電力工業現場的電磁干擾、溫度變化和振動等環境要求，在實現計算機監控系統功能的前提下滿足數據實時性的要求。

廠站級控制層包括3臺操作員工作站，1臺工程師工作站，1臺調度通訊工作站和1臺衛星同步時鐘GPS。現地控制層包括2臺機組控制單元LCU，1臺公用開關站控制單元LCU和1臺大壩控制單元LCU，此外公用系統LCU輔機還有6個遠程輔助控制單元RTU。

猴爬巖水電站監控系統的總體結構如圖1所示。

圖1 猴爬巖水電站監控系統配置框圖

根據國際電工委員會（IEC）的定義現場總線是連接智能現場設備和自動化系統的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡。它的關鍵標志是支持雙向、多節點、總線式全數字通訊。目前世界上有40多種現場總線，都有其應用領域病彼此滲透，在水電行業，主要總線包括：Modbus Plus、Profibus、ControlNet、Genius等，一般根據所采用的控制系統及現場情況來決定總線類型。

經過多方面比較，猴爬巖電廠采用Genius總線實現了公用LCU與各個RTU之間的連接，Genius I/O優點：應用智能開關（Smart Switch）代替保險絲，總線可以長至7500英尺（2280m）并支持冗余電纜，由于減少布線而降低成本，先進的診斷功能增加了600%全系統故障檢測的能力，帶電插拔功能。且安裝方便，不需特殊工具進行連接。整個猴爬巖電站監控系統公用系統LCU和各個遠程RTU的連接方式如圖2所示。

圖2 猴爬巖水電站監控系統遠程控制單元RTU與公用系統LCU總線連接方式圖

4 廠站控制層的功能與應用

4.1 操作員工作站

總共3臺，每臺配備2個21英寸液晶顯示器，其中2臺主機放置在廠房中控室內，互為熱備方式工作，平時1臺負責監視控制，1臺負責監視，當負責控制的工作站出現故障時，負責監視的工作站自動升級為控制站。另1臺操作員工作站放在現地控制層的辦公室，以備現地檢修或做實驗之用。

操作員工作站是全廠集中監視和控制的核心，功能包括對整個電廠的運行管理、數據庫管理、綜合計算、趨勢分析、AGC與AVC計算處理、事故和故障的分析處理、全廠數據監視、實時圖形、事件畫面、報表、報警復歸畫面、系統自診斷顯示、操作員權限管理、機組開停機操作及閉鎖、開關站斷路器和隔離開關操作、公用系統所有輔助設備操作和閘門操作等。

放置在現地控制層的操作員站還負責完成與電廠保護系統、電度計量標記等設備的通訊。

4.2 工程師工作站

總共1臺，配備1個19英寸液晶顯示器，放置在廠房中控室內。用于系統維護和管理人員修改系統參數、運行監視畫面、報警限值、數據庫和報表等。還有軟件現場開發的功能。

4.3 通訊工作站

總共1臺，配備1個19英寸液晶顯示器，放置在廠房中控室內。功能是與省調中心進行遠方數據通訊，采用光纖路由通道，遠動通訊規約采用SC1801。遠期采用電力系統通信路由器設備的雙廣域網口直接與調度中心進行網絡互聯，通訊規約采用IEC60870－5－104。

4.4 GPS衛星同步時鐘

在中控室布置一臺GPS衛星時鐘同步系統，對主站級計算機和各個現地LCU進行衛星時鐘同步。對中控室的工作站采用串口通訊與主操作員站對時，并從該站向所有其他工作站和LCU進行廣播，對所有現地LCU的SOE開關量采用無源脈沖輸出進行對時。

4.5 網絡設備

中控室網絡柜內配有一臺Cisco以太網交換機，所有LCU全部配備了MOXA工業交換機，廠站控制層與現地控制層之間采用快速交換式以太網絡總線，構成高可靠性的局域性網絡結構。網絡通訊采用100MB網絡交換機和光纖，具有很高的傳輸速度和良好的抗電磁干擾能力。100MB的網絡交換機通過帶屏蔽雙絞線連接所有工作站，各個LCU通過多模光纜與廠站控制層相連。

4.6 UPS電源

為保證所有工作站的正常工作，在中控室還配置了2臺3kVA的UPS不間斷供電電源。2臺電源互為冗余熱備，且均有長達3h的電池保證其在廠用交流電源消失時能繼續正常工作。

4.7 打印機

中控室布置1臺黑白打印機和1臺彩色打印機，負責完成打印功能。

5 現地控制層的功能與應用

現地控制層包括2臺機組LCU、1臺公用開關站LCU、1臺大壩LCU和6臺輔機RTU。LCU的基本配置包括：可編程邏輯控制器PLC、現地觸摸屏、通訊控制器和工業交換機。LCU全部采用GE9030系列PLC，RTU全部采用GEVersaMax系列PLC。現地控制層基本功能為：對電站主要設備的運行狀態和運行參數進行自動定時采集，并作必要的預處理和計算；實現開停機和其他各種設備的控制流程；現地可使用觸摸屏對各種設備的操作和運行監視；與各種外部設備進行串口通訊等。

5.1 機組LCU功能

2臺機組LCU分別放置在2臺發電機旁，負責采集發電機、水輪機及其輔助系統，出口斷路器，主變壓器等設備的數據，將所有開關量、模擬量、脈沖量等數據信息經PLC處理后打包上送到廠站控制層。實現機組自動開停機流程、緊急停機流程，功率調節，機組同期并網、各個輔助設備的單步操作流程。通過通訊控制器與保護系統、調速器、勵磁系統、多功能交流采集裝置、溫度巡檢裝置等外部設備進行串口通訊。

5.2 公用開關站LCU功能

1臺公用開關站LCU放置在繼保室內，負責采集220kV開關站及其線路保護系統的數據信息并上送廠站控制層。監控對象為220kV線路上的斷路器、隔離開關、接地刀閘等開關站設備。此外還通過Genius總線的方式與6個公用系統輔助設備控制柜RTU進行數據傳輸，并將其數據處理后一并打包送至上位機系統。通過通訊控制器與線路上的多功能交流采集裝置、消防系統、直流系統、UPS系統等設備進行串口通訊。

5.3 大壩LCU功能

1臺大壩LCU放置大壩控制室內，監控對象為大壩進水口閘門、弧門、齒輪門、深井泵等設備。并將其數據經PLC處理后通過單模光纖（因距中控室距離較遠）傳輸至廠站控制層。

5.4 遠程RTU功能

6臺遠程RTU分別控制檢修（滲漏）排水系統、主變風扇系統、漏油泵系統、通風電機系統、技術供水系統和高（低）壓氣機系統。采用施耐德系列低壓斷路器、接觸器和軟起動裝置對各個輔機系統進行控制。并通過GEVersaMax系列PLCGenius總線的方式經過公用開關站LCU與廠站控制層進行數據傳輸。

6 結束語

猴爬巖電廠計算機監控系統自2009年10月投運以來，運行穩定可靠，設備無任何故障，自動開停機成功率為100%。電廠的自動化水平和安全生產水平有了很高的起點。為實現“無人值班”（少人值守）奠定了堅實的基礎，取得了非常好的社會效益和經濟效益。

[1]方欽輝.現代水電廠計算機監控技術與試驗[M].中國電力出版社，2004.

[2]王德寬.水電廠綜合自動化及“無人值班”技術[M].中國電力出版社，2001.

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1672-5387（2011）03-0050-03

2011-04-11

羅皓（1983-），男，助理工程師，從事水電站計算機監控系統設計、集成和調試工作。